[논문 리뷰] Higgs plus one jet production at NNLO

Xuan Chen, T. Gehrmann외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 허그스 보손과 하나의 제트 생성을 위한 처음으로 완전한 이중-다음-최고-순서 (NNLO) 계산을 무거운 톰-쿼크 근사에서 앤티나 빼기 형식을 사용하여 제시한다. 이는 이론적 불확실성을 크게 감소시키며 총 단면적과 미분 단면적에 대한 정밀한 예측을 제공한다. 낮은 횡방향 운동량에서는 ATLAS 데이터와 양호한 일치를 보이나 고 $p_{\mathrm{T}}$ 영역에서는 약간의 과소 예측을 보이며, 이는 불일치를 해결하기 위해 더 많은 Run 2 데이터가 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

We present the computation of Higgs boson plus one jet production at NNLO at the LHC. The computation is carried out in the heavy-top-quark approximation and using the antenna subtraction formalism to handle the IR divergent structure of the individual contributions. All channels and all colours are included. We illustrate aspects of the subtraction formalism and present results for the total cross section as well as distributions in the kinematical variables using a realistic experimental setting. We make a comparison between our results and recent ATLAS data for $H+j$ production.

연구 동기 및 목표

• 8 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 허그스 보손과 하나의 제트 생성에 대한 완전한 NNLO 보정을 계산하기 위해.
• 과정의 전체 색 구조와 스핀 상태에서 발생하는 모든 적외선 발산을 다룰 수 있는 견고한 적외선 빼기 체계를 구현하기 위해.
• 실제 ATLAS 실험 조건을 반영한 총 단면적과 미분 분포에 대한 정확한 예측을 제공하기 위해.
• 고다중도, 전체 색 구조의 NNLO 계산에서 앤티나 빼기 형식을 다른 빼기 방법과 비교하여 검증하기 위해.
• H+j 최종 상태를 위한 민첩하고 독립적인 몬테카를로 생성기 제공을 통해 향후 허그스 보손 성질에 대한 정밀한 연구를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 계산은 무거운 톰-쿼크 효과 이론에서 수행되며, 이는 1개의 루프를 줄이고 $2m_t$ 이하의 스케일에서 유효하다.
• 이중 실수, 실수-가상, 이중 가상 기여에서 발생하는 적외선 발산을 체계적으로 상쇄하기 위해 앤티나 빼기 형식이 사용된다.
• 모든 색 구조와 스핀 상태가 계산에 포함되어 있어 전체 색 구조와 운동량 구조의 완전성을 확보한다.
• 빼기 항은 매트릭스 요소가 비상태 구성에서의 극한을 재현하는 유니버설 앤티나 함수로부터 구성된다.
• 수치적 통합은 몬테카를로 방법을 사용하며, 단면적 통합에는 최종 상태를 정의하기 위한 제트 함수가 포함된다.
• 결과는 독립적인 NNLO 계산과 동일한 실험적 컷과 설정을 사용하여 ATLAS 데이터와 비교 및 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NNLO 보정은 LHC에서 허그스 보손과 하나의 제트 생성에 대한 총 단면적과 미분 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 앤티나 빼기 형식은 전체 색 구조, 전체 스핀 상태의 NNLO 계산에서 적외선 발산을 신뢰성 있고 효율적으로 다룰 수 있는 프레임워크를 제공하는가?
• RQ3 NNLO 예측은 형태와 정규화 측면에서 기존 ATLAS 데이터와 $H+j$ 생성에 대해 어떻게 비교되는가?
• RQ4 NNLO 보정을 포함한 후 잔류 이론적 불확실성은 무엇이며, LO 및 NLO와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 무거운 톰-쿼크 근사가 깨지는 운동역학적 영역는 어디이며, 유한한 톰-쿼크 질량 효과는 관측된 데이터와의 불일치에서 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 $H+j$ 생성에 대한 총 NNLO 단면적은 동일한 피드유비얼 설정에서 Caola, Melnikov, 및 Schulze의 결과와 양호한 일치를 보인다.
• NNLO 보정은 NLO 대비 총 단면적을 약 10–15% 증가시키며, 잔류 척도 불확실성은 약 10%이다.
• 주요 제트의 횡방향 운동량 분포에 대해, NNLO 보정은 낮은 $p_{\mathrm{T}}$ 에서 단면적을 최대 1.2배로 증가시키며, 고 $p_{\mathrm{T}}$ 에서는 단위에 가까워지며, 여기서 효과 이론이 붕괴된다.
• 허그스 보손의 횡방향 운동량 분포는 중간 $p_{\mathrm{T}}$ 에서 최대 1.3배의 증가를 보이며, 잔류 척도 불확실성은 10–15%이다.
• 주요 제트 및 허그스 보손에 대해 고 $p_{\mathrm{T}}$ 에서 NNLO 예측은 ATLAS 데이터 포인트 아래에 위치하며, 이는 잠재적인 긴장이 있음을 시사하며, 더 많은 Run 2 데이터로 이를 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
• 분포의 형태는 NNLO 보정으로 인해 약간만 수정되며, 주로 운동역학적 구조의 심각한 왜곡이 아닌 총 노멀라이제이션의 이동이 주요 효과이다.